浅析光纤倒像器固有误差对应用的影响

郝 芳，张 平，杨海金，王 瑶，卞臻臻，詹 江，郑 伟，梁 琦

（江苏北方湖光光电有限公司，江苏 无锡 214914）

引言

微光夜视是利用低光照图像信息的转换、增强而用于夜间观瞄，属直视光学系统[1]。其突出特点是依靠夜天光辐射，以“被动”方式成像，用到的核心器件是微光像增强器，又称作微光像管，对整个微光夜视系统的成像质量、测量精度等起着决定性作用[2-3]。随着微光像增强器的发展，目前国内应用最为广泛、也是最为成熟的微光像增强器是超二代微光像增强器。国内外对多碱阴极的研究和提高性能的努力一直在继续，借鉴了负电子亲和势GaAs 阴极出现后逐渐成熟的光电发射和晶体生长理论，并采用先进的光学制造、光电检测手段，使多碱阴极灵敏度由二代微光的225 μA/lm～400 μA/lm，提高到720 μA/lm 以上，目前灵敏度大于1 100 μA/lm～1 300 μA/lm 的像增强器可实现批量生产[4]。另外，红外辐射灵敏度在波长0.8 μm 处达65 mA/W，长波阈大于0.95 μm，分辨率达到70 lp/mm，噪声因子下降到了70%[5]。

对于近距离夜间瞄准系统，使用较为广泛的是带有光纤倒像器的超二代倒像式微光像增强器。其作用在于将通过光电转换的倒像利用光纤倒像器正像显示于荧光屏上，可有效减小光学系统的长度和重量，并有利于系统视差的减小和消除，提高瞄准系统的精度[6]。但是，其中的光纤倒像器是将光纤面板输出角翻转后作为输出屏，在生产制造过程中会存在一定的固有误差，如翻转角误差、像对准误差、桶形畸变、蛇形畸变等，特别是像翻转角和蛇形畸变，会影响瞄准和光学测量的精度，应予以控制[7-8]。

文中基于倒像式微光像增强器在微光瞄准镜和测量仪器中的应用，对倒像式微光像增强器像翻转角误差和蛇形畸变对该类应用的影响进行分析，提出误差允差范围，并提出一种检测仪器对其误差进行检测，提高了应用质量[9]。

1 倒像式微光像增强器

微光像增强器是一种超高真空的光电成像器件，主要由阴极输入窗、光电阴极、电子倍增器MCP和带荧光屏的阳极输出窗组成，并靠陶瓷与可伐合金封装在一起[10-11]，如像增强器工作原理示意图见图1。其中，光纤面板是由许多根规则排列的光学纤维经过高温熔压而成的一种光学元件，具有集光性好、分辨率高、无失真等特点，是微光像增强器的输出屏[12]，而倒像式微光像增强器是将光纤面板输出角翻转180°后实现倒像功能，称为光纤倒像器[13]。

图1 像增强器工作原理示意图Fig. 1 Schematic diagram of working principle of low-levellight image intensifier

该类微光像增强器在国内已经相当成熟，但是，光纤倒像器在生产制造过程中会产生一定的固有误差，这些误差在实际应用中会对系统带来一定的影响，随着系统要求和精度的不断提高，应对固有误差进行质量控制[14-15]。

2 对应用的影响分析

微光观测系统中，目标通过物镜成倒像于微光像增强器阴极面上，经光电阴极、电子倍增器MCP和带光纤倒像器阳极成正像于荧光屏上[16]。翻转角误差（α）会造成实际像位置与理论位置的偏差和倾斜，蛇形畸变会造成实际像的位置与理论位置偏差和扭曲变形，如图2 所示。

图2 系统成像与误差影响示意图Fig. 2 Schematic diagram of system imaging and error influence

翻转角误差对瞄准精度的影响与其在视场内的位置有关，离视场中心愈远影响愈大。这个影响对于高精度系统来讲是不可忽略的。翻转角误差对瞄准精度的影响属系统误差，可通过标定方式予以矫正或消除，但是对测量行程差时带来的误差是不可消除的。行程差是瞄准系统中瞄准分划在调节过程中的走动误差，与分划行走方向垂直，在中、近程微光瞄准系统中一般要求不大于±0.75 密位，是出厂验收的重点考量参数。蛇形畸变会引起运动目标在视场内像的“跳跃”而影响瞄准，且对瞄准精度的影响是随机的，无法消除；另外，引起目标分划的扭曲变形会对行程差指标测试不利，应予以控制。图3 分别给出了有效工作视场内，像翻转角误差和蛇形畸变对瞄准系统行程差允差测量的影响。其中，图3（a）为瞄准分划从左向右行走时不会超过理论测量范围；图3（b）中像翻转角误差造成测试分划出现一定的倾斜，瞄准分划从左向右行走时则出现超差问题，且走动范围越大影响越大；同理，图3（c）为蛇形畸变引起测量分划弯曲而造成行程差超差。

图3 误差对测量的影响示意图Fig. 3 Schematic diagram of influence of error on measurement

以物镜焦距为100 mm 的瞄准系统为例，选用18/18 微光像增强器，其中，二分之一视场处产生的像位误差为

从（1）、（2）式可以看出，翻转角误差为60′时，在30 密位测量范围中对行程差测量范围的影响是0.7 密位；蛇形畸变为0.1 mm 时，对行程差测量范围的影响是0.95 密位。因此，对于行程差测量范围为±0.75 密位的系统，翻转角误差需小于30′，蛇形畸变需小于30 μm。对于瞄准精度≤0.5 密位的系统，为避免标定而保证系统一致性，翻转角误差需小于30′，蛇形畸变需小于30 μm，可消除随机误差的直接影响。

通过分析可知，针对具体应用，光纤倒像器的固有误差还需要根据用户需求控制在合理范围内，有利于提高系统整体性能。

3 实验验证及检测装置

根据上述分析，设计了用于质量控制的检测装置，其原理图如图4 所示。

图4 检查装置原理图Fig. 4 Schematic diagram of inspection device

该装置用来筛选固有误差不满足上述要求的微光像增强器，提高瞄准镜批生产初装合格率。主要由平行光管、CMOS、数码前置镜和显示器、稳压电源等组成，如图5 所示。

图5 检测装置Fig. 5 Physical drawing of detection device

将待检微光像增强器置于装置中，盖好遮光板，接通电源，此时显示器上即可观察到平行光管产生的测试十字分划，该像经微光像增强器成像，并通过数码前置镜放大后，与按照质控要求设定的公差带比对，目视观察即可判定是否满足需求。本装置设置的翻转角公差带为±30′，蛇形畸变公差带为30 μm，如图6 所示。

图6 装置分划示意图Fig. 6 Schematic diagram of device division

为了验证该装置能够有效对固有误差不满足要求的微光像增强器进行筛选或剔除。在装配生产线上随机选取50 只倒像式微光像增强器，通过该装置检查，其中有1 只的翻转角误差超出公差带。将其装入某瞄准系统，利用零位仪对其行程差进行测量，结果表明，瞄准镜的行程差超出指标规定的0.75 密位范围。将测试合格的49 只依次装入瞄准镜系统，测试行程差后均满足要求。

为了验证未经筛选的像增强器固有误差存在一定比例不符合用户需求的现象，并对产品行程差指标有直接影响。将批生产200 具产品中出现的3 具不合格品的微光像增强器拆卸后，用该装置进行测量，其中2 只翻转角误差超差，1 只蛇形畸变超差。

从上述验证可看出，倒像式微光像增强器的批生产中，存在其个别固有误差相对较大的现象，本次研究数据显示像翻转角误差超过30′的比例约为2%，蛇形畸变大于30 μm 的比例约为1%。该固有误差对应用系统特定指标存在一定的不利影响，设计的装置也能对其误差进行质量控制。

4 结论

本文通过分析倒像式微光像增强器固有误差中翻转角误差和蛇形畸变对实际应用的影响，通过验证表明，将翻转角误差控制在小于30′，蛇形畸变控制在小于30 μm 范围内，可以满足系统在30 密位区间内行程差不大于0.75 密位的要求；同时可以减小瞄准系统在出厂前的标定工作量。设计制造的检测装置可提高该类微光像增强器的交付质量。